Une équipe de chercheurs dirigée par Princeton a découvert un moyen révolutionnaire de générer des ondes de choc à haute énergie en laboratoire.
En regardant au cœur de la nébuleuse du Crabe, cette image de Hubble révèle le cœur battant de l’un des vestiges les plus historiques et les plus étudiés d’une supernova, une étoile en explosion. L’étoile à neutrons qui se trouve au centre de la nébuleuse a à peu près la même masse que le Soleil, mais elle est comprimée en une sphère incroyablement dense qui ne fait que quelques kilomètres de diamètre. Tournant 30 fois par seconde, l’étoile à neutrons émet des faisceaux d’énergie détectables qui donnent l’impression qu’elle est pulsée. Le cliché de Hubble est centré sur la région entourant l’étoile à neutrons (la plus à droite des deux étoiles brillantes près du centre de cette image) et les débris filamenteux en expansion et en lambeaux qui l’entourent. La vue précise de Hubble permet de saisir les détails complexes du gaz incandescent, représenté en rouge, qui forme un mélange tourbillonnant de cavités et de filaments. À l’intérieur de cette coquille se trouve une lueur bleue fantomatique qui est le rayonnement émis par les électrons qui tournent en spirale à une vitesse proche de celle de la lumière dans le puissant champ magnétique qui entoure le noyau stellaire écrasé. Cette étoile à neutrons est la vitrine de processus physiques extrêmes et d’une violence cosmique inimaginable. Des traînées lumineuses se déplacent vers l’extérieur de l’étoile à neutrons à la moitié de la vitesse de la lumière pour former un anneau en expansion. On pense que ces volutes proviennent d’une onde de choc qui transforme le vent à grande vitesse de l’étoile à neutrons en particules extrêmement énergétiques. Crédit image : NASA / ESA / J. Hester, ASU / M. Weisskopf, NASA & ; MSFC.
Dans l’Univers, les ondes de choc supersoniques propulsent les rayons cosmiques et les particules de supernova à des vitesses proches de celle de la lumière.
Les chocs astrophysiques les plus énergétiques se produisent trop loin de notre système solaire pour être étudiés en détail et ont longtemps laissé les scientifiques perplexes.
Les chocs plus proches de la Terre peuvent être détectés par des engins spatiaux, mais ils passent trop vite pour permettre d’étudier la formation d’une onde.
Derek Schaeffer, chercheur à l’Université de Princeton, et ses co-auteurs ont généré les premières ondes de choc à haute énergie en laboratoire, ouvrant la voie à une nouvelle compréhension de ces processus mystérieux.
“Nous avons pour la première fois développé une plateforme pour étudier les chocs hautement énergétiques avec une plus grande flexibilité et un meilleur contrôle que ce qui est possible avec les vaisseaux spatiaux”, a déclaré le Dr Schaeffer.
“Cela permet de comprendre l’évolution des processus physiques qui se déroulent à l’intérieur des ondes de choc”, a ajouté le coauteur, le Dr Will Fox, du laboratoire de physique des plasmas de Princeton du ministère américain de l’énergie (DOE).
Pour produire l’onde, l’équipe a utilisé un laser pour créer un plasma à haute énergie – une forme de matière composée d’atomes et de particules atomiques chargées – qui s’est étendu dans un plasma magnétisé préexistant.
L’interaction a créé, en quelques milliardièmes de seconde, une onde de choc magnétisée qui s’est propagée à une vitesse de plus d’un million de mph, ce qui correspond aux chocs au-delà du système solaire.
La vitesse rapide représentait un “nombre de Mach magnétosonique” élevé et l’onde était “sans collision”, imitant les chocs qui se produisent dans l’espace extra-atmosphérique où les particules sont trop éloignées pour entrer fréquemment en collision.
“À l’avenir, la plate-forme de laboratoire permettra de nouvelles études sur la relation entre les chocs sans collision.et l’accélération des particules astrophysiques”, ont déclaré les auteurs.
“La plateforme complète les observations actuelles de télédétection et d’engins spatiaux, et ouvre la voie à des études contrôlées en laboratoire des chocs à nombre de Mach élevé.”
La recherche a été publiée dans l’édition du 14 juillet 2017 de la revue. Physical Review Letters.